最新研究：引力場(chǎng)或具流體性質(zhì)存在湍動(dòng)漩渦

新浪科技訊 北京時(shí)間6月10日消息，據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)站報(bào)道，如果你在黑洞的附近，或許你會(huì)感到有些顛簸。但這的確會(huì)令很多科學(xué)家感到意外，因?yàn)橐ρ芯繉W(xué)界傳統(tǒng)的觀點(diǎn)是認(rèn)為時(shí)空無(wú)法出現(xiàn)湍動(dòng)。然而一項(xiàng)加拿大圓周理論研究所(Perimeter)的成果卻顯示這一傳統(tǒng)觀點(diǎn)或許是錯(cuò)的。

藝術(shù)示意圖：位于星系核心的超大質(zhì)量黑洞。圖中的藍(lán)色代表靠近黑洞區(qū)域的物質(zhì)發(fā)出的大量輻射。周圍灰色的部分則主要是塵埃和氣體。

研究人員們遵循如下的思路：引力被認(rèn)為可以表現(xiàn)為流體性質(zhì)。而流體的一項(xiàng)特征便是湍動(dòng)——這也就是說(shuō)，在特定情況下，它們將不會(huì)平滑地運(yùn)動(dòng)，而是會(huì)出現(xiàn)渦流或漩渦。那么引力是否也會(huì)出現(xiàn)相似的情形？

　　引力/流體二元性

圓周研究所研究員路易斯·賴納(Luis Lehner)解釋了為何科學(xué)家們會(huì)將引力視作是一種流體。他說(shuō)：“在物理學(xué)中有一種設(shè)想，即所謂全息設(shè)想，其核心觀點(diǎn)是認(rèn)為引力可以用場(chǎng)論進(jìn)行描述。另外我們也知道在高能狀態(tài)下，場(chǎng)論可以被作為描述流體的數(shù)學(xué)工具。因此這是一個(gè)兩步達(dá)成的過(guò)程：首先，引力等同于場(chǎng)論，隨后場(chǎng)論等同于流體，于是我們得到引力等同于流體。這杯稱作‘引力/流體二元性’。”

“引力/流體二元性”并非什么新的觀點(diǎn)——它已經(jīng)至少發(fā)展了6年時(shí)間。然而在其核心仍然存在一個(gè)問(wèn)題，那就是，既然引力可以被視作流體，那么它會(huì)存在湍動(dòng)嗎？

賴納表示：“多年以來(lái)，物理學(xué)家們的一項(xiàng)共識(shí)是引力中不存在湍動(dòng)?！币豁?xiàng)共識(shí)是認(rèn)為引力可以被描述為一系列的方程，其與流體方程之間存在明顯差異，因此在任何情況下引力中都不會(huì)存在湍動(dòng)。

賴納這樣論述這一新出現(xiàn)的矛盾：“要么是先前的二元論存在問(wèn)題，引力實(shí)際上并無(wú)法用流體方程進(jìn)行完全的描述；要么這就是引力中的一種新現(xiàn)象，引力湍動(dòng)真的存在。”這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的成員包括圓周量子計(jì)算研究所的賴納，楊歡(Huan Yang，音譯)，以及加拿大理論物理研究所的阿隆·茲默曼(Aaron Zimmerman)。

現(xiàn)在他們已經(jīng)知道該往什么方向前進(jìn)。此前在圓周研究所以及麻省理工的一個(gè)獨(dú)立團(tuán)隊(duì)開展的模擬研究已經(jīng)顯示，在被壓縮于反德西特空間(anti-de Sitter space)的黑洞案例周圍將存在湍動(dòng)。賴納表示：“如果你將引力限制在一個(gè)盒子中，基本上這將會(huì)出現(xiàn)湍動(dòng)。問(wèn)題就在于在現(xiàn)實(shí)的情況下這樣的情況是否真的能出現(xiàn)?！?/p>

　　非線性研究的突破

于是研究組決定對(duì)快速旋轉(zhuǎn)的黑洞進(jìn)行研究，因?yàn)榱黧w力學(xué)原理認(rèn)為這樣一個(gè)黑洞周圍的時(shí)空粘度應(yīng)當(dāng)會(huì)低于其他類型的黑洞。更低的粘度將增加出現(xiàn)湍動(dòng)的幾率——就像水相較于糖漿更加容易出現(xiàn)波紋一樣。

研究組還決定對(duì)黑洞的非線性擾動(dòng)開展研究。引力系統(tǒng)此前很少在這樣的細(xì)節(jié)水平上被開展研究，因?yàn)槠渖婕暗姆匠坍惓?fù)雜。但，明確了擾動(dòng)在本質(zhì)上是非線性的之后，研究組便明確了非線性擾動(dòng)分析正是他們所要的。

當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)他們的分析結(jié)果顯示時(shí)空真的出現(xiàn)了湍動(dòng)時(shí)，感到非常震驚。楊歡表示：“我感到非常意外?！睏顝牟┦侩A段以來(lái)一直從事愛因斯坦的廣義相對(duì)論研究。他說(shuō)：“我從來(lái)不相信在廣義相對(duì)論中存在湍動(dòng)，并且我有很好的理由。從未有人在數(shù)值模擬中看到過(guò)這一現(xiàn)象，即便是在兩個(gè)黑洞相互繞轉(zhuǎn)的動(dòng)蕩環(huán)境中也是如此?！辟嚰{表示：“在過(guò)去的數(shù)年里，我們經(jīng)歷了從懷疑引力中難以出現(xiàn)湍動(dòng)，到有很高的信心認(rèn)為其應(yīng)當(dāng)存在的過(guò)程?！?/p>

那么這種模式如何能一直隱藏到現(xiàn)在？楊歡表示：“之所以會(huì)出現(xiàn)這種情況，是因?yàn)橐胗^察到這種現(xiàn)象必須依賴于非線性秩序。而人們?nèi)狈ψ銐虻膭?dòng)力去做非線性研究。而這一次我們很清楚自己所要尋找的東西，這促使我們?nèi)プ鲆恍└由钊氲姆治觥覀冇心繕?biāo)，并且我們達(dá)成了目標(biāo)?！?/p>

這是一項(xiàng)理論工作，但它可能并不會(huì)一直停留在這里?；蛟S很快我們就將擁有可以探測(cè)到引力波的下一代先進(jìn)設(shè)備——也就是引力場(chǎng)中的漣漪，一般是由一些劇烈的事件，如兩個(gè)黑洞互相撞擊產(chǎn)生的。如果引力可以是湍動(dòng)的，那么這些漣漪可能就與此前一些模型所給出的結(jié)論有所區(qū)別。了解這些區(qū)別有助于探測(cè)引力波。并且，事實(shí)上直接檢測(cè)到這些差異將會(huì)是證明引力湍動(dòng)的直接證據(jù)。賴納表示：“這一發(fā)現(xiàn)具有潛在的觀測(cè)后果。LIGO或是LISA或是未來(lái)的某項(xiàng)引力波實(shí)驗(yàn)或許將會(huì)探測(cè)到它的線索?！?/p>

　　對(duì)湍動(dòng)研究的啟示

但這項(xiàng)研究最令人興奮的一點(diǎn)卻并不在于引力，而是它對(duì)于平常意義上，地球上發(fā)生的湍動(dòng)研究的啟發(fā)作用。從颶風(fēng)到杯中攪動(dòng)的咖啡，從大黃蜂扇動(dòng)的翅膀到飛機(jī)翼尖的渦流，湍動(dòng)無(wú)處不在。然而我們隊(duì)湍動(dòng)的了解卻并不多。它被認(rèn)為是經(jīng)典物理學(xué)領(lǐng)域尚未得到解決的最大問(wèn)題之一。

而這項(xiàng)研究加強(qiáng)了認(rèn)為引力作為一種流體的觀點(diǎn)，這也意味著流體可以從引力的視角進(jìn)行看待和研究。賴納表示：“我們已經(jīng)花費(fèi)500年的時(shí)間試圖完全理解湍動(dòng)。這種引力/流體的對(duì)應(yīng)性提示我們可以使用引力工具和方法來(lái)重新審視湍動(dòng)現(xiàn)象。在這一過(guò)程中我們可能會(huì)再次受困，但也有可能我們將會(huì)就此走出一條全新的道路，這一點(diǎn)讓人興奮。”(晨風(fēng))